Diagnostické metody fotovoltaických článků
V průběhu činnosti fotovoltaických elektráren je důležité, aby se vlastnosti fotovoltaických panelů měnily co nejméně. Týká se to hlavně účinnosti solárních článků, která nejvíce ovlivňuje návratnost investice do fotovoltaických systémů. Účinnost solárních článků je ovlivněna jejich schopností absorbovat energii dopadajícího fotonu a dále schopností tuto energii využít pro vykonávání elektrické práce. Různé druhy materiálových a výrobních defektů mohou ovlivňovat schopnost využití této energie pro elektrickou práci, a proto je důležité mít kvalitní diagnostické nástroje, které dovedou detekovat různé typy defektů, analyzovat je a v případě negativního vlivu minimalizovat jejich dopady.
Pro tyto účely je vhodné použít další analytické metody, které dovedou citlivěji detekovat existenci defektů ve struktuře solárního článku (šumová analýza PN přechodu) a lokalizovat daný defekt (LBIC, elektro-, fotoluminiscence, luminiscence mikroplazmy atd.)
Typy defektů
Defekty, které zhoršují elektrické vlastnosti krystalických křemíkových solárních článků, mají charakter poruchy krystalické mřížky. Podle typu poruchy pak hovoříme o bodových poruchách (vakance – chybějící atom, intersticiální částice – částice mimo pravidelný bod mřížky, příměsi – cizí atomy v krystalu), čárových poruchách (dislokační čáry – chybějící celé souvislé skupiny částic), plošných a objemových poruchách (precipitáty – ostrůvky jiné krystalické struktury). Většina těchto poruch ovlivňuje elektrické parametry. Ne všechny jsou samozřejmě nežádoucí. Díky různým příměsím lze měnit typ polovodiče z intrinsického na n nebo p typ. Bohužel některé defekty zvyšují rekombinaci, zkracují dobu životnosti a jinak brání využití světelné energie pro vykonání elektrické práce.
Tyto defekty je potřeba lokalizovat a v technologickém procesu zabránit jejich vzniku. Podle původu defektů je můžeme rozdělit na defekty materiálové, které vznikají při výrobě substrátu a polovodičových struktur průnikem nečistot, a procesní, způsobené mechanickým nebo jiným poškozením v průběhu technologického procesu.
Obr. 2: Měřicí pracoviště LBIC
PC – měřicí počítač, DC – stabilizovaný zdroj napětí světelného zdroje, LED – zdroj konstantního světelného toku, A/D – převodník proud–napětí, LPT – skenovací zařízení
Detekční metody
Detekční metoda LBIC je používána jako univerzální metoda detekce lokálních defektů nejen ve struktuře solárních článků. Naše vybavení měřicího pracoviště umožňuje jednoduchou výměnu světelného zdroje. Za světelný zdroj jsou zde zvoleny různé vlnové délky LED zaostřené pomocí speciálního přípravku. Výhodou těchto zdrojů světla je jejich dlouhá životnost a nízké náklady. Různé vlnové délky penetrují v odlišných hloubkách struktury solárního článku a zobrazují tak objemové a povrchové defekty.
Technika LBI (Light Beam Induced) je metoda, kdy světelný paprsek skenuje povrch solárních článku a pomocí měřicího zesilovače signálu jsou data postupně snímána do počítače a je vytvářena mapa odezvy měřeného článku na světelný paprsek. Podle hlavní měřicí veličiny pak rozlišujeme mezi měřením LBIC (current), LBIV (voltage), případně LBIP (power). Metoda LBIC je takové měření, kdy pomocí převodníku proud–napětí měříme proudovou odezvu, metodou LBIV (Light Beam Induced Voltage) snímáme napěťovou odezvu a u LBIP (Light Beam Induced Power) se snažíme nastavit pracovní bod měřených veličin do bodu maximálního výkonu.
V ideálním případě LBIC, kdy by měl převodník proud–napětí nulový vnitřní odpor, by se měřená veličina rovnala hodnotě ISC lokálního osvětlení solárního článku. Pro měření metody LBIC ale postačuje, aby zátěžový odpor měřicího převodníku byl menší než polovina ideální zátěže maximálního výkonu, což v praxi znamená odpor menší než 0,1 Ω. Naopak, pro měření LBIV je důležité, aby byl vnitřní odpor měřicího zesilovače co největší. Tuto podmínku splňuje většina měřicích zařízení pro měření napětí, proto realizace metody LBIV není tak technicky náročná jako nastavení pracovního bodu metody LBIC.
Během měření LBIC je světelný paprsek zaostřen na vzorek a díky lokální proudové odezvě z článku získáme XY charakteristiku rozložení proudu. Získaná data se uspořádají do proudové mapy a v podstatě modelují chování celého článku po jeho jednotlivých částech. Z takto vzniklých proudových map potom můžeme určit většinu lokálních defektů v solárním článku. V dalším kroku je nutné (automaticky nebo ručně) nastavit stupeň šedi zobrazované oblasti pro dobré zobrazení jednotlivých defektů, a to podle nalezených odchylek. Přesnost proudových map závisí především na druhu použitého světelného zdroje (fokusace, vlnová délka – hloubka vniku) a na kroku posunu (míra přesnosti), s jakým se daný vzorek analyzuje.
Obr. 4: Blokové zapojení měřicího pracoviště
Výstupem měření je matice číselných hodnot, kterou lze převést na mapu bodů s různým stupněm šedé barvy. Tato mapa signalizuje velikost proudové odezvy a dále ji lze analyzovat běžnými grafickými metodami. V případě potřeby ji lze také matematicky zpracovávat v původní podobě matice hodnot a použít analytické nástroje maticového počtu. Obě tyto metody mohou vést k podobným závěrům a sloužit k podrobné analýze vlastností fotovoltaických článků a technologických kroků jejich výroby.
Zajímavých výsledků lze dosáhnout porovnáváním měření LBIC a LBIV při použití různých typů světelných zdrojů a vlnových délek světelného záření.
Elektroluminiscence
Elektroluminiscence je fyzikální děj, kdy při průchodu elektrického proudu polovodičovým přechodem dochází k emitování světelného záření. Z hlediska optických vlastností polovodiče můžeme rozdělit polovodiče na polovodiče s přímým mezipásmovým přechodem a s nepřímým mezipásmovým přechodem. U polovodičů s přímým mezipásmovým přechodem, jako je GaAs, při rekombinaci páru elektron–díra je vysoká pravděpodobnost vyzáření fotonu o energii rovnající se šířce zakázaného pásu v místě přímého přechodu. Této vlastnosti se využívá u LED diod a polovodičových laserů. U polovodičů s nepřímým mezipásmovým přechodem se při generačně-rekombinačních dějích kromě energie fotonů účastní i fonony (tepelné kmity krystalografické mřížky). Z tohoto důvodu tyto materiály nejsou vhodné pro optoelektroniku. Přestože je pravděpodobnost vyzáření fotonu při rekombinačních dějích u těchto polovodičů nižší a je tu větší neurčitost energie vyzářeného fotonu, lze tuto metodu použít pro generování světelné emise a s její pomocí analyzovat struktury polovodičových přechodů P-N, jako jsou solární články.
Tato metoda umožňuje detekci materiálových a procesních defektů solárního článku. Ve výsledcích měření lze také pozorovat rozložení proudové hustoty v článku. Během měření je článek připojen ke zdroji napětí v propustném směru.
Detekce defektů a rozložení proudu ze snímku spočívá v rozlišení tmavých a světlých míst. Ideální solární článek by měl vykazovat konstantní proudovou hustotu v celé ploše přechodu, a tím i jeho vyzářené světlo by mělo mít na celé ploše stejnou intenzitu. Místa s nižší intenzitou světla (malé tmavší body) indikují poruchu ve struktuře materiálu (nehomogenita difuzní vrstvy přechodu P-N). Porucha může být dána nepravidelností ve struktuře monokrystalu. Naopak výrazně světlejší místa znázorňují oblasti s vyšší proudovou hustotou. Jak je vidět na snímcích, jde většinou o místa blízko kontaktů solárního článku.
Luminiscence mikroplazmy
Metoda využívá vzniku lokálních center mikroplazmy v místech strukturálních defektů při napětí v závěrném směru blížícím se průraznému napětí. Mikroplazma se neprojevuje pouze vyzařováním světelného záření, ale projevuje se i tzv. šumem mikroplazmy.
Šum mikroplazmy byl poprvé studován na křemíkových přechodech P-N polarizovaných v závěrném směru. První informace o šumu tohoto typu byla popsána v roce 1952 [3]. McKay [4] zjistil, že v nestabilním stavu je proud přechodem P-N tvořen posloupností impulzů konstantní amplitudy a náhodné doby trvání a vzniku.
Střední doba trvání impulzu závisí na závěrném napětí na přechodu. První impulzy jsou velmi úzké, při zvyšování závěrného napětí roste jejich šířka, a tím i střední proud, až při dosažení určitého napětí je proud stabilní. Při vyšších napětích se může jev opakovat. McKay tento úkaz interpretuje jako výsledek lavinového průrazu přechodu v lokalizovaných oblastech, jehož následkem je vznik mikroplazmy. Toto vysvětlení bylo potvrzeno v roce 1958 [6], kdy autoři pozorovali rekombinační záření z individuálních oblastí mikroplazmy v mělkých difuzních přechodech a jejich korelaci s bistabilním šumem. Ukázali také, že mikroplazma vzniká tam, kde dislokace protíná přechod.
Vznikající mikroplazmu lze detekovat několika způsoby:
- měřením časového průběhu proudového šumu v závěrném směru,
- měřením charakteristik U-I při použití napájení ze stabilního proudového zdroje,
- měřením efektivní hodnoty úzkopásmového proudového šumu při napájení v závěrném směru proudovým nebo napěťovým zdrojem,
- měřením emise světelného záření z bodových defektů během formování mikroplazmatických výbojů.
Princip vzniku emise světla z mikroplazmy je následující: V místech, kde dislokační porucha (nedokonalost krystalické mřížky) protíná přechod P-N, dochází k lokálnímu lavinovému výboji, který je doprovázen šumem. Tento šum se objevuje při dostatečně velkých závěrných napětích, ale nižších, než je napětí lavinového průrazu. Velikost závěrného napětí potřebného k pozorování tohoto jevu je silně závislá na ploše článku, respektive na výkonu dodaného do článku. Vznik mikroplazmy při výboji v polovodiči je obvykle doprovázen emisí světla, která je zachycena CCD kamerou a následně analyzována. V solárním článku, plošném přechodu P-N, vzniká mikroplazma v místech, ve kterých je přechod nehomogenní nebo je například poškozen. V oblasti mikroplazmy může protékat značně velký proud, a tím způsobit lokální ohřev v takové úrovni, že přechod může být zničen. Proto je nutné při této metodě pečlivě nastavovat závěrné napětí. Jinak může dojít k nevratnému poškození struktury přechodu P-N a k znehodnocení celého článku [5].
Závěr
V článku je porovnáváno několik diagnostických metod, které umožňují detekovat existenci poruch (šumová spektroskopie) i jejich strukturální rozložení v testovaném solárním článku. Popisovány jsou metody LBIC, LBIV, elektroluminiscence a luminiscence mikroplazmy.
Elektroluminiscenční a fotoluminiscenční zobrazení jsou kvalifikována jako mnohem rychlejší detekční metody. Zatímco vysoko detailní snímání metodou LBIC pro jeden snímek trvá přes několik hodin, obdobného výsledku lze dosáhnout metodou elektroluminiscence za několik sekund. Při elektroluminiscenčním zobrazení je vzorek zapojen v propustném směru a metoda je použita na dokončený solární článek. Protože při fotoluminiscenci není energie potřebná k luminiscenci dodávána kontakty, ale dopadajícím světlem, mohou se testovat i solární články, které nemají dokončeno kontaktování. Díky různým světelným filtrům, které jsou vestavěny v použité CCD kameře, je možné sledovat odlišné druhy defektů.
Některé procesní defekty lze detekovat pouze pomocí luminiscence mikroplazmy, která se generuje v oblasti lokálních proudů vysoké hustoty nebo silných elektrických polí.
Vhodnou kombinací detekčních metod lze získat přesný obrázek procesů a dějů probíhajících v solárním článku a nastavit technologické kroky tak, aby byla účinnost fotovoltaické konverze co nejvyšší, a zároveň garantovat neměnnost těchto parametrů po celou dobu životnosti fotovoltaických článků.
Výzkum byl uskutečněn za podpory VZ MSM 21630516 projektu a Grantové agentury České republiky, grant č. 102/09/0859.
Článek byl prezentován na mezinárodní konferenci Fotovoltaické fórum 2010.
doc. Ing. Jiří Vaněk, Ph.D.
Autor působí v Ústavu elektrotechnologie Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně.
Recenzoval: prof. Ing. Vítězslav Benda, CSc.
Foto a obrázky: archiv autora, Soleg
Literatura
1. Wűrfel, P.: Physics of Solar Cells. 2005: Wiley-VCH verlag GMBH & Co, Kvas Weinheim, 2005.
2. Fukyuki, T. – Kondo, H. – Yamazaki, T. – Uraoka, Y.: Applied Physics Letters, 2005.
3. Pearson, G. L. – Sawyer, B.: Proc. Inst. Radio Engrs., 1952, vol. 40, pp. 1 348.
4. McKay, K. G.: Avalanche Breakdown in Silicon. In: Phys. Rev., 1954, Vol. 94, No. 4, pp. 877–884.
5. Vaněk, J. – Koktavý, P. – Jandová, K. – Sadovský, P.: Usage of Micro-plasma Signa Noise for Solar Cells Diagnostic. In: Proceedings of SPIE, 2007, No. 6600, pp. 17–19.
6. Bothe, K. – Pohl, P. – Schmidt, J. – Weber, T.
– Altermatt, P. – Fischer, B. – Brendel, R.: Electroluminescence Imaging as an In-line Characterisation Tool for Solar Cell Production. In: 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference, Dresden, Germany, 2006.
7. Fangsuwannarak, T. – Cho, E. C. – Conibeer, G. – Huang, Y. – Trupke, T. – Green, M. A.: Analysis of the Effect of Silicon Quantum Dot Density on the Photoluminiscence Spectra of Silicon Dot/silicon Dioxide Superlattices. Dresden: 21 EU PVSEC, 2006.
8. Vaněk, J.: Diagnostické metody fotovoltaických článků založené na generačně-rekombinačních jevech. Habilitační práce, 2007.
9. Dreckschmidt, F. – Kaden, T. – Fiedler, H. – Miller, H. J.: Electroluminescence Investigation of the Decoration of Extended Defects in Multicrystalline Silicon. In: 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milano, Italy, 2007.
10. Trupke, T. – Bardka, R.A. – Abbott, M. D. – Chen, F. W. – Cotter, J. E. – Lorenz, A.: Fast Photoluminiscence Imagining of Silicon Wafers. In: Proceedings of the 4th World Conference on Photovoltaic Energy, Conversion, Waikoloa, 2006, pp. 928.
11. Beyer, H. G.: Irradiance Maps Applied for the Performance Assessment of PV Systems – a Case Study for the Federal State of Saxony. In: 21th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Dresden, Germany, 2006.
Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.
